宿永倩　王慧春　楊疆英

【摘要】? ? 隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真實驗教學(xué)受到越來越多的關(guān)注。本文主要根據(jù)高中生物實驗教學(xué)現(xiàn)狀，探討虛擬仿真實驗應(yīng)用于高中生物實驗教學(xué)中的優(yōu)勢和不足。將虛擬仿真實驗輔助于高中生物實驗教學(xué)，通過“虛實結(jié)合”，為有效增強中學(xué)生生物實踐能力、完善中學(xué)生物實驗教學(xué)方法提供參考。

【關(guān)鍵詞】? ? 虛擬仿真實驗? ? 高中生物? ? 實驗教學(xué)? ? 輔助教學(xué)

引言：

生物學(xué)是一門基礎(chǔ)性、實踐性學(xué)科，是農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)、生態(tài)學(xué)、食品學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)，與人類生活密切相關(guān)。根據(jù)新課改要求，高中生物教學(xué)要以增強學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為宗旨，在教育部頒布的《普通髙中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中也明確提出“為著力培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，尤其是科學(xué)探究和生物學(xué)實踐能力，應(yīng)加強生物學(xué)實驗教學(xué)和探究式教學(xué)，增強學(xué)生動手實踐和體驗的機會?！盵1] 。然而，根據(jù)高中生物實驗教學(xué)的現(xiàn)狀來看，絕大多數(shù)的學(xué)校因受到實驗設(shè)備不足、課時數(shù)有限等因素影響，部分生物實驗局限于填鴨式教學(xué)，致使學(xué)生對所學(xué)知識難以理解，甚至產(chǎn)生厭學(xué)感。因此，在“互聯(lián)網(wǎng)+”的大背景下，將虛擬仿真實驗與教育教學(xué)相結(jié)合，使學(xué)生在虛擬中實驗，在仿真中提高 [2] 。

一、高中生物實驗教學(xué)現(xiàn)狀

如今高中生物實驗教學(xué)中往往存在實驗內(nèi)容增加而課時數(shù)不增加，課堂教學(xué)和實驗教學(xué)的比例嚴(yán)重不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象[3]，致使部分實驗只進行“講實驗”而不“做實驗”;加之實驗設(shè)備和經(jīng)費不足，學(xué)生只能靠死記硬背來記住實驗現(xiàn)象、過程和結(jié)果;另外，還存在部分教師的實驗教學(xué)觀念陳舊、教學(xué)模式單一等系列問題，使得學(xué)生生物實驗動手操作能力的培養(yǎng)大打折扣[4-5]。

二、虛擬仿真實驗輔助于高中生物實驗教學(xué)

2.1虛擬仿真實驗

虛擬仿真實驗這一概念最早是由美國弗吉尼亞大學(xué) William Wolf 教授提出，是指利用多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、虛擬技術(shù)和仿真技術(shù)等現(xiàn)實技術(shù)生成的新興實驗系統(tǒng)，包括以計算機作為控制中心形成的相關(guān)實驗器材、實驗信息資源、以及相符的實驗環(huán)境，能夠代替或部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗所需，使實驗者能夠直接參與實驗虛擬對象的交互，從而獲得現(xiàn)實實驗中的各種體驗[6]。

2.2“虛實結(jié)合”輔助于高中生物實驗教學(xué)

2014年，北京樂步教育科技有限公司推出了一個包含理化生實驗的“NOBOOK虛擬仿真實驗”軟件[7]，目前因其方便性（ipad、電腦、手機均可下載）、實驗畫面真實性等優(yōu)勢，頗受大家喜愛。

虛擬仿真實驗可不受時間和空間的限制。2020年因突如其來的疫情，全國各地的學(xué)生不能正常開學(xué)，學(xué)校秉著“停課不停教、停課不停學(xué)”的原則，將線下課堂改為線上教學(xué)，生物實驗課因無法現(xiàn)場操作而調(diào)停課。虛擬仿真實驗可以打破這種時空限制，學(xué)生們可通過電腦、平板等載體隨時隨地進行實驗操作。再加上軟件還自帶測試模塊，學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)束后系統(tǒng)會自動給出成績，大大提高了學(xué)習(xí)效率 [8]。

虛擬仿真實驗可加強學(xué)生對所學(xué)知識的直觀感性認(rèn)識，提高學(xué)習(xí)興趣。例如：第一章第二節(jié)“細(xì)胞的多樣性和統(tǒng)一性”。本節(jié)課主要內(nèi)容為使用高倍顯微鏡觀察細(xì)胞，原核細(xì)胞和真核細(xì)胞的異同及理解細(xì)胞的多樣性和統(tǒng)一性。學(xué)生第一次接受原核細(xì)胞這一概念，若僅從課本上觀看原核細(xì)胞的平面圖，他們將較難形成對此知識的直觀感性認(rèn)識。利用“NOBOOK虛擬仿真實驗” 軟件，做觀察 “原核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)”的實驗，學(xué)生可直觀清晰的觀察到原核細(xì)胞的外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對其形成感性認(rèn)識，更好的理解原核生物和真核生物的異同，從而進一步理解細(xì)胞的多樣性和統(tǒng)一性。在“使用高倍顯微鏡觀察幾種細(xì)胞”的實驗中，可利用“先實后虛”法，學(xué)生可先通過在現(xiàn)實實驗室中操作顯微鏡觀察細(xì)胞，掌握顯微鏡的使用要點，再利用虛擬仿真實驗觀察各種細(xì)胞，從而解決在現(xiàn)實實驗操作過程中因?qū)嶒灢僮鞑划?dāng)而觀察不到細(xì)胞的問題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

虛擬仿真實驗可解決因?qū)嶒炛芷陂L、實驗設(shè)備要求高等因素，致使實驗無法開展的問題。例如：人教版選修一《生物技術(shù)實踐》專題三“植物的組織培養(yǎng)技術(shù)”。植物組織培養(yǎng)的過程：植物組織? ? 形成愈傷組織? ? 長出叢芽? ? 生根? ? 移栽成活，該過程耗時較長;且在配置培養(yǎng)基過程中會用到高壓蒸汽滅菌鍋;培養(yǎng)時還需在無菌箱中，每日用日光燈照射12h，并定期進行消毒。一般高中生物實驗室條件達(dá)不到，此時虛擬仿真實驗的優(yōu)勢就體現(xiàn)了出來。在虛擬仿真實驗中，學(xué)生可利用系統(tǒng)中已配備好的實驗儀器和設(shè)定好的實驗步驟，在較短時間內(nèi)觀察到實驗現(xiàn)象，得出實驗結(jié)論，解決學(xué)生因?qū)嶒炛芷陂L、實驗設(shè)備要求高等因素?zé)o法在現(xiàn)實實驗室進行實驗操作的問題，使學(xué)生體驗實驗的樂趣。

虛擬仿真實驗可減少實驗過程中的安全問題。例如：人教版必修一《分子與細(xì)胞》第五章第三節(jié)“細(xì)胞呼吸的原理和應(yīng)用”中“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”實驗。進行此實驗會用到較多的玻璃儀器及氫氧化鈉、濃硫酸等危險試劑，學(xué)生在實驗室做此實驗的危險性較大。利用“先虛后實”法，學(xué)生可通過虛擬仿真平臺提前對實驗進行預(yù)習(xí)，在虛擬實驗操作的關(guān)鍵位置或危險步驟中有危險信號提示和危險場景預(yù)報，有助于加深學(xué)生印象，培養(yǎng)良好的實驗習(xí)慣[9]。這樣，學(xué)生在現(xiàn)實實驗操作中就會避免出現(xiàn)這些錯誤，從而降低實驗的危險性。

三、虛擬仿真實驗應(yīng)用于高中生物實驗教學(xué)中的不足

1.不能完全體驗真實的實驗環(huán)境。雖然虛擬仿真實驗?zāi)軌蚝艽蟪潭壬夏M實驗實景，但還是不能真真正正的代替真實實驗，虛擬實驗設(shè)計過于理想化和程序化，這在一定程度上限制了學(xué)生的主動思維能力[10]。

2.不能很好體現(xiàn)學(xué)生間的合作意識。在現(xiàn)實實驗操作中，教師一般會根據(jù)班級人數(shù)進行分組，一個實驗的順利完成往往是每個小組成員共同努力的結(jié)果，然而通過虛擬仿真實驗，雖然可以實現(xiàn)一人一機，每個人都有機會進行實驗操作，但缺乏同學(xué)間的合作交流，不能很好的培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作意識[11]。

3.不能很好的展現(xiàn)學(xué)生的個體差異。在現(xiàn)實實驗操作中，教師可根據(jù)學(xué)生具體的實際操作情況，正確評估學(xué)生的個體差異，并及時因材施教。然而在虛擬仿真實驗中，因?qū)嶒灣绦蚧荒艹浞煮w現(xiàn)學(xué)生的個體差異，影響教師進行針對性指導(dǎo)。

4.不能模擬實驗過程中的“意外”。這里所說的“意外”不是實驗事故，而是在現(xiàn)實實驗中，可能會因某一步操作與設(shè)定的不同，出現(xiàn)不同的實驗結(jié)果。而虛擬仿真實驗過于程序化、固定化，在一定程度上限制了學(xué)生的思維和創(chuàng)新能力。

四、結(jié)束語

虛擬仿真實驗雖具有不能完全代替真實實驗環(huán)境、減少了學(xué)生間合作交流機會、降低了教師對學(xué)生個體差異的正確評估等方面的不足;但在高中生物實驗教學(xué)中也具有不可替代的優(yōu)勢，它可以為學(xué)生提供安全的實驗環(huán)境，還可以打破時空限制，隨時隨地進行實驗操作。

因此，將虛擬仿真實驗輔助于高中生物實驗教學(xué)具有至關(guān)重要的意義。教師要充分利用虛擬仿真技術(shù)，秉著“能實勿虛，虛實結(jié)合”的原則，加強對學(xué)生實踐能力和生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

引言：

生物學(xué)是一門基礎(chǔ)性、實踐性學(xué)科，是農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)、生態(tài)學(xué)、食品學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)，與人類生活密切相關(guān)。根據(jù)新課改要求，高中生物教學(xué)要以增強學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為宗旨，在教育部頒布的《普通髙中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中也明確提出“為著力培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，尤其是科學(xué)探究和生物學(xué)實踐能力，應(yīng)加強生物學(xué)實驗教學(xué)和探究式教學(xué)，增強學(xué)生動手實踐和體驗的機會?！盵1] 。然而，根據(jù)高中生物實驗教學(xué)的現(xiàn)狀來看，絕大多數(shù)的學(xué)校因受到實驗設(shè)備不足、課時數(shù)有限等因素影響，部分生物實驗局限于填鴨式教學(xué)，致使學(xué)生對所學(xué)知識難以理解，甚至產(chǎn)生厭學(xué)感。因此，在“互聯(lián)網(wǎng)+”的大背景下，將虛擬仿真實驗與教育教學(xué)相結(jié)合，使學(xué)生在虛擬中實驗，在仿真中提高 [2] 。

一、高中生物實驗教學(xué)現(xiàn)狀

如今高中生物實驗教學(xué)中往往存在實驗內(nèi)容增加而課時數(shù)不增加，課堂教學(xué)和實驗教學(xué)的比例嚴(yán)重不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象[3]，致使部分實驗只進行“講實驗”而不“做實驗”;加之實驗設(shè)備和經(jīng)費不足，學(xué)生只能靠死記硬背來記住實驗現(xiàn)象、過程和結(jié)果;另外，還存在部分教師的實驗教學(xué)觀念陳舊、教學(xué)模式單一等系列問題，使得學(xué)生生物實驗動手操作能力的培養(yǎng)大打折扣[4-5]。

二、虛擬仿真實驗輔助于高中生物實驗教學(xué)

2.1虛擬仿真實驗

虛擬仿真實驗這一概念最早是由美國弗吉尼亞大學(xué) William Wolf 教授提出，是指利用多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、虛擬技術(shù)和仿真技術(shù)等現(xiàn)實技術(shù)生成的新興實驗系統(tǒng)，包括以計算機作為控制中心形成的相關(guān)實驗器材、實驗信息資源、以及相符的實驗環(huán)境，能夠代替或部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗所需，使實驗者能夠直接參與實驗虛擬對象的交互，從而獲得現(xiàn)實實驗中的各種體驗[6]。

2.2“虛實結(jié)合”輔助于高中生物實驗教學(xué)

2014年，北京樂步教育科技有限公司推出了一個包含理化生實驗的“NOBOOK虛擬仿真實驗”軟件[7]，目前因其方便性（ipad、電腦、手機均可下載）、實驗畫面真實性等優(yōu)勢，頗受大家喜愛。

虛擬仿真實驗可不受時間和空間的限制。2020年因突如其來的疫情，全國各地的學(xué)生不能正常開學(xué)，學(xué)校秉著“停課不停教、停課不停學(xué)”的原則，將線下課堂改為線上教學(xué)，生物實驗課因無法現(xiàn)場操作而調(diào)停課。虛擬仿真實驗可以打破這種時空限制，學(xué)生們可通過電腦、平板等載體隨時隨地進行實驗操作。再加上軟件還自帶測試模塊，學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)束后系統(tǒng)會自動給出成績，大大提高了學(xué)習(xí)效率 [8]。

虛擬仿真實驗可加強學(xué)生對所學(xué)知識的直觀感性認(rèn)識，提高學(xué)習(xí)興趣。例如：第一章第二節(jié)“細(xì)胞的多樣性和統(tǒng)一性”。本節(jié)課主要內(nèi)容為使用高倍顯微鏡觀察細(xì)胞，原核細(xì)胞和真核細(xì)胞的異同及理解細(xì)胞的多樣性和統(tǒng)一性。學(xué)生第一次接受原核細(xì)胞這一概念，若僅從課本上觀看原核細(xì)胞的平面圖，他們將較難形成對此知識的直觀感性認(rèn)識。利用“NOBOOK虛擬仿真實驗” 軟件，做觀察 “原核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)”的實驗，學(xué)生可直觀清晰的觀察到原核細(xì)胞的外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對其形成感性認(rèn)識，更好的理解原核生物和真核生物的異同，從而進一步理解細(xì)胞的多樣性和統(tǒng)一性。在“使用高倍顯微鏡觀察幾種細(xì)胞”的實驗中，可利用“先實后虛”法，學(xué)生可先通過在現(xiàn)實實驗室中操作顯微鏡觀察細(xì)胞，掌握顯微鏡的使用要點，再利用虛擬仿真實驗觀察各種細(xì)胞，從而解決在現(xiàn)實實驗操作過程中因?qū)嶒灢僮鞑划?dāng)而觀察不到細(xì)胞的問題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

虛擬仿真實驗可解決因?qū)嶒炛芷陂L、實驗設(shè)備要求高等因素，致使實驗無法開展的問題。例如：人教版選修一《生物技術(shù)實踐》專題三“植物的組織培養(yǎng)技術(shù)”。植物組織培養(yǎng)的過程：植物組織? ? 形成愈傷組織? ? 長出叢芽? ? 生根? ? 移栽成活，該過程耗時較長;且在配置培養(yǎng)基過程中會用到高壓蒸汽滅菌鍋;培養(yǎng)時還需在無菌箱中，每日用日光燈照射12h，并定期進行消毒。一般高中生物實驗室條件達(dá)不到，此時虛擬仿真實驗的優(yōu)勢就體現(xiàn)了出來。在虛擬仿真實驗中，學(xué)生可利用系統(tǒng)中已配備好的實驗儀器和設(shè)定好的實驗步驟，在較短時間內(nèi)觀察到實驗現(xiàn)象，得出實驗結(jié)論，解決學(xué)生因?qū)嶒炛芷陂L、實驗設(shè)備要求高等因素?zé)o法在現(xiàn)實實驗室進行實驗操作的問題，使學(xué)生體驗實驗的樂趣。

虛擬仿真實驗可減少實驗過程中的安全問題。例如：人教版必修一《分子與細(xì)胞》第五章第三節(jié)“細(xì)胞呼吸的原理和應(yīng)用”中“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”實驗。進行此實驗會用到較多的玻璃儀器及氫氧化鈉、濃硫酸等危險試劑，學(xué)生在實驗室做此實驗的危險性較大。利用“先虛后實”法，學(xué)生可通過虛擬仿真平臺提前對實驗進行預(yù)習(xí)，在虛擬實驗操作的關(guān)鍵位置或危險步驟中有危險信號提示和危險場景預(yù)報，有助于加深學(xué)生印象，培養(yǎng)良好的實驗習(xí)慣[9]。這樣，學(xué)生在現(xiàn)實實驗操作中就會避免出現(xiàn)這些錯誤，從而降低實驗的危險性。

三、虛擬仿真實驗應(yīng)用于高中生物實驗教學(xué)中的不足

1.不能完全體驗真實的實驗環(huán)境。雖然虛擬仿真實驗?zāi)軌蚝艽蟪潭壬夏M實驗實景，但還是不能真真正正的代替真實實驗，虛擬實驗設(shè)計過于理想化和程序化，這在一定程度上限制了學(xué)生的主動思維能力[10]。

2.不能很好體現(xiàn)學(xué)生間的合作意識。在現(xiàn)實實驗操作中，教師一般會根據(jù)班級人數(shù)進行分組，一個實驗的順利完成往往是每個小組成員共同努力的結(jié)果，然而通過虛擬仿真實驗，雖然可以實現(xiàn)一人一機，每個人都有機會進行實驗操作，但缺乏同學(xué)間的合作交流，不能很好的培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作意識[11]。

3.不能很好的展現(xiàn)學(xué)生的個體差異。在現(xiàn)實實驗操作中，教師可根據(jù)學(xué)生具體的實際操作情況，正確評估學(xué)生的個體差異，并及時因材施教。然而在虛擬仿真實驗中，因?qū)嶒灣绦蚧荒艹浞煮w現(xiàn)學(xué)生的個體差異，影響教師進行針對性指導(dǎo)。

4.不能模擬實驗過程中的“意外”。這里所說的“意外”不是實驗事故，而是在現(xiàn)實實驗中，可能會因某一步操作與設(shè)定的不同，出現(xiàn)不同的實驗結(jié)果。而虛擬仿真實驗過于程序化、固定化，在一定程度上限制了學(xué)生的思維和創(chuàng)新能力。

四、結(jié)束語

虛擬仿真實驗雖具有不能完全代替真實實驗環(huán)境、減少了學(xué)生間合作交流機會、降低了教師對學(xué)生個體差異的正確評估等方面的不足;但在高中生物實驗教學(xué)中也具有不可替代的優(yōu)勢，它可以為學(xué)生提供安全的實驗環(huán)境，還可以打破時空限制，隨時隨地進行實驗操作。

因此，將虛擬仿真實驗輔助于高中生物實驗教學(xué)具有至關(guān)重要的意義。教師要充分利用虛擬仿真技術(shù)，秉著“能實勿虛，虛實結(jié)合”的原則，加強對學(xué)生實踐能力和生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

參? 考? 文? 獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社， 2017.

[2]趙欣.產(chǎn)教深度融合背景下虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)探索[J].中國新通信，2020，22（12）：222-223

[3]陳金煥，錢麗娜.基于科學(xué)探究思維培養(yǎng)的高中生物實驗教學(xué)途徑[J].中國新通信， 2020，22（21）：207-208.

[4]孫超.高中生物實驗教學(xué)存在的問題與對策[J].亞太教育，2016（14）：152-152.

[5]趙慧敏.高中生物實驗有效教學(xué)策略行動研究探索[J].中國新通信，2016，18（14）：144.

[6]尤夢琪.虛擬仿真實驗在高中生物實驗教學(xué)中的應(yīng)用[D].河南大學(xué)，2019.

[7]李家清.中學(xué)地理教學(xué)設(shè)計與案例研究[M].北京：科學(xué)出版社，2015：17-19.

[8]尚曼，馬德祿，焦建杰，等.藥理學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)與應(yīng)用[J].基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育， 2018，11（20）：1020-1022.

[9]曹穎瑛，張俊平，厲建中，等.生物技術(shù)藥物虛擬實驗室建設(shè)的思考[J].基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育， 2014，16（4）：284-286.

[10]胡原，呂鑫，李兵.虛擬仿真實驗在高中生物學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用探究[J].實驗科學(xué)與技術(shù)， 2019，17（04）：99-102.

[11]陶清源，王巖，任浩，等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)課程中的應(yīng)用[J].基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育， 2012，14（8）：627-628.